水泥改良海南滨海砂早期强度参数研究

2018-02-26吴福宝

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2018年6期

关键词：粘聚力摩擦角龄期

吴福宝

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北武汉 430063)

我国地域辽阔，不良土质和不良工程地质条件广泛存在[1]，在滨海、沙漠等地区进行铁路、道路施工时将面临优质路基填料匮乏的问题，若采用换填的方法不仅工期、成本难以控制，还会对环境造成很大污染，而化学改良的方法优势就十分明显.

在改良土中，水泥改良土是一种性能较好的土工改良材料，可以广泛地应用于水利、交通和建筑等各类土木工程中，一般情况下，只要能控制好水泥改良土的施工质量，就可以获得比较满意的效果，因而，这种土工改良材料引起了人们兴趣和重视[2].

对于水泥改良土，强度则是其设计和施工控制的核心[3]，水泥土强度受到水泥掺量、水泥种类、土性、养护龄期、含水率、搅拌条件等的影响[4].

研究表明，水泥掺量、养护龄期对水泥土强度有着显著影响.杨俊[5]试验结果显示，3%、5%、7%、9%的水泥改良砂，养护7、14、21、28d，发现在龄期相同时，水泥掺量每增加2%，水泥改良土的无侧限抗压强度会增加0.3 MPa左右；在水泥掺量一定时，改良土的无侧限抗压强度随着龄期的增大而增大，改良土龄期每增加7 d，水泥改良土强度增加0.15～0.3 MPa，在28 d后强度基本稳定.

郦建俊[6]用水泥改良黄土时发现改良土无侧限抗压强度在龄期超过一个月后仍有很大的增长，在水泥掺量20%时，改良土强度6个月龄期较3个月龄期增加0.7～0.8 MPa.

还有一些学者则根据试验结果纷纷提出了水泥土强度与水泥掺量、养护龄期的经验公式，如Rakesh[7]提出水泥土强度与水泥掺量的线性关系，Nilo[8]提出了水泥土强度随着水泥掺量的幂指数关系，Omer[9]认为水泥土强度随养护龄期呈双曲线关系，且双曲线参数与水泥掺量有关.曹治国[3]认为，水泥土强度随水泥掺量近似呈幂函数关系增大，养护7～90 d时与养护龄期的对数呈线性关系增长.

其他学者则研究了含水率、压实度、土性对水泥改良土强度的影响.郦建俊[6]发现水泥改良黄土时改良土强度在最优含水率附近达到最大值，含水率增加或减少改良土强度均会减小，赵程[10]则建立了水泥土密实度与强度的关系，房立凤[2]提出，增加土中粗粒土含量可以提高水泥改良土强度，而随着土中粘粒含量的增长水泥土的强度不断降低，这主要是由于粘粒妨碍了水泥水化的缘故.

综上所述，学者们对水泥改良土强度的影响因素开展了较为全面的研究，并提出了水泥土强度随水泥掺量、养护龄期的经验公式，得到了诸多成果.但对于路基工程而言，在实际施工中，层与层的碾压间隔一般在7 d以内，目前，对于7 d内水泥土早期强度特性的研究却鲜有报道.

本文以海南东南部陵水县广泛分布的粉红色细砂为研究对象，采用GDS三轴仪对经P.C32.5水泥改良后砂土养护1、3、5、7 d后进行了三轴试验，重点研究了水泥改良砂早期强度参数的增长规律，建立了水泥掺量10%以下、养护龄期7 d内改良砂强度参数粘聚力、内摩擦角的经验公式，并对不同水泥掺量砂进行了微观测试，对水泥改良砂强度的增长进行了微观解释，研究结果对于水泥改良砂作为路基填料合理确定碾压层养护时间有着重要的指导意义.

1 试验方案

1.1 海南滨海砂特征

试验用砂取自海南省东南部陵水县，该砂呈粉红色，XRD射线衍射结果显示主要成分为二氧化硅，不均匀系数Cu=2.13，曲率系数为Cv=0.84，级配不良，该砂总质量的85%左右颗粒均集中在0.075～0.25 mm，按照《土工试验规程JTG-E40》[11]定名为细砂.

1.2 水泥砂试样制备

水泥选择P.C32.5水泥，结合相关工程经验[1-2,5,12]，水泥掺量一般控制在10%以下，为了使不同水泥掺量的改良砂间工程性质差异明显，并考虑工程的经济性，此次水泥掺量选用了2%，6%，10%，按表1击实试验得到的水泥掺量不同的砂的最优含水率、最大干密度进行制样，试样底面直径3.91 cm，高度8.0 cm，在模具中分三层进行压实，脱模后先放在塑料箱中静置1 d，待改良砂强度提高后放入水中浸泡养生，养护1、3、5、7 d后取出进行三轴试验.

表1 不同水泥掺量砂最优含水率、最大干密度

1.3 试验方法

试验采用英国GDS三轴仪进行，将2%、6%、10%不同水泥掺量的砂分别养护1、3、5、7 d后施加50、100、150 kPa三级围压，采用不固结、不排水剪切，控制试样反压80 kPa，围压85 kPa，轴向压力85 kPa进行反压饱和，加载时间为5分钟，待试样的饱和度B≥0.95后开始剪切，剪切速率按照《土工试验规程JTG-E40》[11]规定为每分钟应变0.5%～1.0%，即0.4～0.8 mm/min，由于试验进度需要，取0.8 mm/min，当测力计出现峰值时，继续剪切至超过5%的轴向应变，当无峰值时剪切进行到轴向应变的15%～20%为止，在正应力-剪应力坐标系中可以得到三个应力摩尔圆，莫尔圆公切线斜率是土样内摩擦角的正切值，公切线截距则是土样的粘聚力.

2 试验结果分析

2.1 养护龄期、水泥掺量对强度参数的影响

试验得到不同水泥掺量、不同养护龄期条件下水泥改良砂粘聚力、内摩擦角值见表2所示.

表2 不同水泥掺量、不同养护龄期水泥改良砂粘聚力、内摩擦角值

在试验中发现，试样在制作完成后，放入水中吸水饱和消除非饱和基质吸力后快速破坏，故认为水泥改良砂未养护时粘聚力为零，水泥掺量不同的改良砂粘聚力随养护时间的关系见图1至图3所示.

图1 水泥掺量2%改良砂粘聚力随养护龄期关系Fig.1 The relationship between cohesion and curing time of modified sand with 2 percent cement

图2 水泥掺量6%改良砂粘聚力随养护龄期关系Fig.2 The relationship between cohesion and curing time of modified sand with 6 percent cement

图3 水泥掺量10%改良砂粘聚力随养护龄期关系Fig.3 The relationship between cohesion of modified sand and curing age time with 2 percent cement

从图1至图3可以看出，在水泥掺量一定时，在养护龄期3 d内，粘聚力快速增长，养护3 d后，粘聚力增长速度放缓，水泥掺量2%、6%、10%改良砂养护7 d后粘聚力较1 d增长46.67%、45.45%、106.67%，粘聚力C随养护龄期T的增长具有如下数学性质：

(1)

(2)

当养护时间T→∞时：

(3)

满足上述性质的曲线可以用双参数的双曲线来表示：

(4)

式(4)中，T为养护时间(d)，C为粘聚力(kPa)，a、b为拟合参数，采用双曲线函数对不同水泥掺量砂粘聚力随时间的增长曲线拟合后的拟合参数见表3所示，从表3中的计算结果可以看出，拟合参数a、b整体上均随着水泥掺量的增加而减小，根据双曲线函数的性质可知，在养护时间一定时，参数a、b越小，水泥砂粘聚力越大，即参数a、b的大小能够反映水泥砂随着养护时间变化的胶结程度，进一步分析后发现参数a、b与水泥掺量存在图4、5中的关系：

(5)

b=(10.57-0.79×aw)×10-3

(6)

表3 养护不同龄期水泥砂粘聚力拟合参数单位：10-3

图4 养护不同龄期时水泥砂粘聚力拟合参数a与水泥掺量关系Fig.4 Relationship between cohesion fitting parameter a and cement content of cement modified sand cured for different time

图5 养护不同龄期时水泥砂粘聚力拟合参数b与水泥掺量关系Fig.5 Relationship between cohesion fitting parameter b and cement content of cement modified sand cured for different time

式(5)与(6)中，aw为水泥掺量(%).至此，便能建立水泥掺量2%、6%、10%改良砂养护7 d内粘聚力随养护龄期、水泥掺量的经验公式：

(7)

水泥改良砂内摩擦角随养护时间的变化规律见图6所示，从图6可以看出，随着养护时间的增长，水泥改良砂的内摩擦角变化并不明显，故认为水泥改良砂的内摩擦角仅为水泥掺量的单值函数，不同水泥掺量后内摩擦角见图7所示，拟合后得到：

φ=30.19+1.09×aw

(8)

图6 水泥改良砂内摩擦角与养护龄期关系Fig.6 Relationship between friction angle and curing age of modified sand

图7 水泥改良砂内摩擦角与水泥掺量关系Fig.7 Relationship between friction angle and cement content of modified sand

通过式(7)、(8)可以确定水泥掺量10%以下、养护7 d内水泥改良砂的粘聚力和内摩擦角值，进而求得上述条件下水泥改良砂的强度，根据施工荷载便可以确定水泥掺量、养护龄期等参数，从而指导施工.

2.2 水泥改良砂强度参数增长的微观解释

采用LIOO SZ850显微镜对水泥掺量不同的改良砂进行了微观试验，试验结果见图8所示.从图8可以看出，素砂中砂颗粒呈松散堆积，没有任何粘结，不能形成整体，工程性质差，而添加水泥后，则能有效地增强颗粒间的粘结.

图8 LIOO SZ850显微镜放大205倍后水泥改良砂颗粒间接触状态Fig.8 Contacting state of cement modified sand enlarged 205 times by LIOO SZ850 magnifier

将表2不同水泥掺量、不同养护龄期水泥改良砂粘聚力、内摩擦角值对比后可以发现，随着水泥掺量的增加，改良砂粘聚力有很大增加，内摩擦角也有提升，但水泥掺量超过6%后，内摩擦角则变化很小.之所以出现该现象，是由于水泥掺量的增加导致了土颗粒间接触状态的变化所导致.当水泥掺量较低时，水泥填充了土颗粒间的孔隙，水泥水化后与孔隙中其他较小的土颗粒形成了胶结体，增大了土颗粒间的粘结力，也改善了砂颗粒间的摩擦性能，见图8(b)所示；而一旦水泥掺量超过6%后，试样击实后土颗粒将处于图8中(c)和(d)所示的悬浮状态，土颗粒已被水泥水化物充分包裹，再继续增大水泥掺量已经不能有效改变砂颗粒与水泥水化物间的摩擦性能，故内摩擦角变化很小，但水泥掺量的增多会进一步使所填充的水泥水化物相互连通，形成链状、网状结构[12]，故水泥改良砂的粘聚力仍然能够持续增长，江浩川[13]用偏光显微镜观察了不同水泥掺量砂的微观结构，也发现水泥掺量达到6%时形成了明显的近似团聚的结构形态.